Melhorias no processo de pirólise da biomassa - ipef.br Napoli.pdf · Câmara de combustão dos gases Op. : Controle do processo por peso II –Os processos de pirólise Países

Melhorias no processo de pirólise

da biomassa

para produção de carvão vegetal

Alfredo NAPOLI

6 outubro 2009 – Seminário Franco-Brasileiro sobre tratamento térmico da biomassa

I – Contexto

II – Os processos de pirólise

III – Os principais caminhos de melhoria

IV – Alguns exemplos de melhoria a nível de P&D

V – Conclusões e perspectivas

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Sumário


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I – ContextoPorque produzir carvão vegetal hoje ?

Países tropicais em desenvolvimento : Principal fonte de energia com a biomassa na África e Ásia Madeira nativa – Problema do desmatamento Uma cidade Phnom Penh : 350 000 t carvão/ano

Países tropicais desenvolvidos : Para ser usado principalmente na indústria siderúrgica : Brasil é o único

caso Madeira plantada e nativa – evolução para um sistema sustentável ? Uma usina siderúrgica : 300 000 t carvão/ano

Países tropicais desenvolvidos : Para lazer (churrasco) Resíduos da indústria madeireira França : 60 000 t carvão/ano


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I – ContextoQual futuro para o carvão vegetal ?

Longo prazo : Imaginar o futuro sem Carbono fóssil, de forma sólida, líquida ou gasosa ?

Médio prazo : Desenvolver tecnologias mais eficientes

Países tropicais em desenvolvimento : Fonte de energia independente garante o desenvolvimento ?

Países tropicais desenvolvidos : Desenvolvimento industrial, independência energética de forma

sustentável,…

Países tropicais desenvolvidos : Carvão vegetal como um dos vetores energéticos limpos do futuro? Tentar solucionar o problema ambiental com à produção de Carbono

Vegetal para tecnologia de gaseificação – fischer tropsch, etc...


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I – ContextoQuais problemas e como resolve-los?

Produzir biomassa de forma sustentável e transformá-la com adequadas qualidade do produto final

No caso do processo de pirólise : Desenvolver/melhorar tecnologias:

De forma industrial e grande capacidade

Economicamente viável

Tecnicamente eficiente

Socialmente justo


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I – Contexto

Infelizmente, não exista uma solução única que pode ser aplicada em qualquer lugar.

As soluções dependem dos fatores técnicos, econômicos, ambientais e sociais.

Brasil é um pais modelo para esse desafio : produção de biomassa plantada com finalidade industrial para o carvão vegetal


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II – Os processos de pirólise

Do forno meda a planta contínua ... Com o tempo e a localização geográfica


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II – Os processos de pirólisePaíses industriais não tropicais : forno contínuo

Combustão parcial ou gás quente externo Forno vertical continuo e automatizado Capacidade : 2 500 – 10 000 t/ano Material : Resíduos cortados

Câmara de combustão dos gases Controle do processo de fluxo e

temperatura Op. : Gas para secar Op. : Gas para produção eletricidade


Contrôle do peso

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Combustão parcial Bateria : 8 – 12 fornos juntos 1 forno : 16 m3

Ciclo : 5 – 24 oras

Material : Resíduos cortados Capacidade : 2 500 t/ano Câmara de combustão dos gases Op. : Controle do processo por peso

II – Os processos de pirólisePaíses industriais não tropicais : forno batch

Combustão gases

Carga de madeira

Control do ar


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II – Os processos de pirólisePaíses industriais tropicais : forno batch

Combustão parcial 1 forno : 200-700 m3

Capacidade : 2000 t/ano Ciclo : 15 dias Material : toras

Opt. : Bateria : 2 fornos ou mais ? Opt. : Câmara de combustão dos gases Opt. : Controle do processo por temperatura

Controle do ar

Carga de toras de madeira e

descarga carvão


Para desenvolver e melhorar os processos é preciso melhor entenderos fenômenos que controlam a conversão da biomassa em carvão :

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III – Os principais ações de melhoria

Melhorar a produtividade

Melhorar o balanço energético e ambiental

Melhorar a qualidade do carvão

.... Relacionado com o custo final

o efeito da composição da madeira : lignina, celulose e hemicelulose, a importância das reações químicas : cinética das reações primárias

e secundárias as limitações da transferência de calor e de massa


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III – Os principais ações de melhoriaMelhoria da produção (com qualidade) :

Aumentar o rendimento carvão (atividade de P&D) : Influência do material – seleção clonal

Influência dos parâmetros de pirólise : taxa, pressão,...

Aumentar a produtividade (t/ano) : com fornos batch :

Mesmo ciclo : aumentar o volume de forma simétricaMesmo volume : diminuir o ciclo : secagem, refriamento,...

com forno contínuo :Aumentar o tamanho ? Desafio industrial


Exemplos de melhorias com fornos batch

Aumento do tamanho Redução do ciclo através do resfriamento

13/286 outubro 2009 – Seminário Franco-Brasileiro sobre tratamento térmico da biomassa

III – Os principais ações de melhoriaMelhoria da produção (com qualidade) :

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III – Os principais ações de melhoriaMelhorias energéticas e ambientais:

Reduzir o gasto energético, principalmente da parte de secagem

Valorização dos sub-produtos (40% da energia da madeira)

Redução dos gases de efeito estufa

Modificação do balance energético das reações de pirólise (favorecer as reações exotérmicas)

A combustão dos efluentes de pirolise no caso de reatores batch temque ser quemados por meio de sistemas bateria para solucionar oproblema de variações da qualidade dos gases durante o ciclo


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Exemplos de melhorias com fornos batch

Queimador Condensador e quemador alcatrão

Bateria

III – Os principais ações de melhoriaMelhorias energéticas e ambientais:


Qualidade carvão é o resultado das interações entre a madeira e as condições de tratamento por cada etapa : secagem, torrefação, pirólise endotérmica depois exotérmica e resfriamento

Macro ATG piloto industrial na V&M

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III – Os principais ações de melhoriaMelhorar a qualidade do carvão :

Controlar a qualidade do carvão na produção : não é fácil !

Necessita estudos de P&D : À nível microscópico À nível macroscópico À nível industrial


Exemplo 1 : Aumentar o rendimento do carvão (com mesma qualidade)

Exemplo 2 : Desenvolver ferramentas rápidas de medição da qualidade do carvão como NIRS

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IV – Alguns exemplos de melhoria á nível de P&D


Reator piloto batch no Cirad (1MPa - 650°C)

forno

SV

M

T0T1T2

R

T3T4T5

P

CP

V1

V2

V1

Objetivo : Estudar o efeito da Pressão, Temperatura e taxa na produção de carvão vegetal

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IV – Alguns exemplos de melhoria á nível de

P&D


O rendimento em carvão aumenta com a pressão alta (1 MPa) e taxa de aquecimento baixa (120°C/h)

O rendimento em carbono fixo aumenta com a pressão alta

0,00%

5,00%

10,00%

15,00%

20,00%

25,00%

30,00%

35,00%

40,00%

45,00%

50,00%

1 2 3 4 5 6 7 8

Experiment n°

Ch

arc

oa

l yie

ld (

%w

t d

ry)

Charcoal yield (1 bar)Charcoal yield (10 bar)

T = 550°C T = 650°C

HR = 2°C/min HR = 5°C/min HR = 2°C/min HR = 5°C/min

T = 2 hours T = 4 hours T = 2 hours T = 4 hours T = 2 hours T = 4 hours T = 2 hours T = 4 hours

0,00

5,00

10,00

15,00

20,00

25,00

30,00

35,00

40,00

1 2 3 4 5 6 7 8

Experiment n°

Fix

Ca

rbo

n Y

ield

(%

wt

dry

)

Fix Carbon Yield (1 bar)Fix Carbon Yield (10 bar)

T = 550°C T = 650°C

HR = 2°C/min HR = 5°C/min HR = 2°C/min HR = 5°C/min

T = 2 hours T = 4 hours T = 2 hours T = 4 hours T = 2 hours T = 4 hours T = 2 hours T = 4 hours

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Rendimento carvão Rendimento carbono fixo

0,1 MPa 1 MPa

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IV – Alguns exemplos de melhoria á nível de

P&D


Quais são os fenômenos que controlam/modificaram a pirólise ?

Qual é o impacto de cada componente principal da biomassa na pirólise ? Mudará as condições de seleção clonal ?

Quais as mudanças nas propriedades do carvão vegetal ?

Equipamento TG

Blocos de comando e

visualização

Computador de apoio

(programa)

ATG Alta Pressão

Temperatura max : 1000°C

Pressão max : 15 MPa

Taxa max: 30 °C/min

Cadinho(30 mg de amostra)

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ATG CelluloseATG EucalyptusE. urophylla x E. grandis

Pesquisa sobre relações taxa de aquecimento, pressão e rendimento em carvão vegetal

Avaliar o efeito das reações secundárias

Modo de reflexão difusa R = 1/(logA)

Faixa espectral: 800 - 3.500 nm [12.500 -3.500 cm-1]

Resolução espectral: ~2 nm [8 cm-1]

Amostra moída

0,2 mm

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Objetivo : Desenvolver medição rápida das propriedades do carvão para um maior controle do processo e do produto final


600 1 000 1400 1 800 2 200 2 600 3 0000

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

2

Wavelength (nm)

R

Assinatura espectral do carvão

Propriedade estudadas Intervalo (%)

Umidade (TU) 1,46 - 6,31

Materiais voláteis (TMV) 3,52 - 48,50

Cinzas (TCZ) 0,16 - 6,37

Carbono fixo (TCF) 49,50 - 95,70

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Umidade (TU)

Materiais voláteis (TMV)

Cinzas (TCZ)

Carbono fixo (TCF)

0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.070.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

Predicted values (NIRS)

Actu

al valu

es

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.040

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0.035

0.04


Actu

al valu

es

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.60

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5


Actu

al valu

es

0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1


Actu

al valu

es

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Melhorias no processo de pirólise da biomassa para produção de carvão vegetal

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Fornos batch em bateria pode ser uma opção interessante... é um desafio

Outros fornos industriais de tipo contínuo é a outra opção e também umdesafio

A qualidade do carvão e as interações com a biomassa original tem quese pesquisar mais em relação com o uso final


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O Carvão Vegetal tem um futuro promissor produzido com biomassaadquirida de forma sustentável

O carvão vegetal pode ser uma das opções para solucionar o problemade desenvolvimento industrial dos paises tropicais junto com o problemaambiental mundial

Os processos de pirólise têm um desafio grande : Desenvolvertecnologia industrial de grande capacidade, limpa, tecnicamenteeficiente, socialmente justo e economicamente viável


Contato

[email protected] (CIRAD – UFLA – V&M)

[email protected] (Diretor Cirad Brasil)

[email protected] (Novo Diretor Cirad Brasil)

Agradecimentos:

Prof. Brito - ESALQ

Prof. T.J. Lima e P.F. Trugilho e Renato, Ana Carolina e Paulo – UFLA

Dr. T.J Raad – V&M

Ing. P. Gallet, Dr L. Brancheriau, Dr G. Chaix - CIRAD

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Obrigado !


mailto:[email protected]















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